簡述平行耦合微帶線帶通濾波器的設計與使用

陳川

摘 要 微波濾波器在電子對抗領域有著廣泛的應用。本文闡述了帶通濾波器單元的基本原理。并結合實際使用設計了一款中心頻率8.4GHz的帶通濾波器，通過對濾波器的實際加工測試，結果表明該款濾波器符合設計應用要求。

關鍵詞 帶通濾波器;耦合微帶線;設計應用

Design and application of parallel coupled microstrip band-pass filter

Chen chuan

Nanjing Corad Electronic Equipment Co.，Ltd Jiangsu， Nanjing 211100

Abstract Microwave filter is widely used in the field of electronic countermeasures. This paper describes the basic principle of band-pass filter unit. And a band-pass filter with center frequency of 8.6GHz is designed in combination with practical application， Through the actual processing test of the filter， The results show that the filter meets the requirements of design and application.

Keywords Band-pass filter; Coupled microstrip line

引言

微波濾波器是微波系統中用于控制系統頻響特性的二端口網絡，在其通帶頻率內對信號表現為傳輸特性;而在其阻帶頻率內表現為衰減特性。微波濾波器廣泛應用于雷達技術、電子對抗、衛星通信以及微波測量儀器中。在微波電路中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計出一個好的微波電路具有很重要的意義。微波濾波器分為微帶濾波器、介質濾波器、波導濾波器和LTCC濾波器等。微帶電路具有易與微波電路相匹配連接等優點，因此使用微帶線制作的濾波器在微波電路系統中得到了廣泛應用。

1基本原理

如圖1所示的兩端微帶線，它們是帶通濾波器的基本單元，圖中畫出了該單元輸入、輸出端口的幾何結構，開路條件以及相應的傳輸線等效電路。

對于這種結構的開路傳輸線線段，先不考慮其嚴格處理方法的細節，這里直接給出其阻抗矩陣參數：

（1a）

（1b）

當把這些基本單元級連構成多節濾波器時，需要使用每個單元的兩個端口都與下一個元件匹配。這也被稱為求解鏡像阻抗。

（2）

在區間，以電長度為自變量，可以得到輸入阻抗實部的函數響應曲線，當微帶線長度為或時，可以得到典型的帶通濾波器特性[1]。

2設計實現與使用

單個帶通濾波器單元不能提供良好的濾波器響應及陡峭的通帶-阻帶過渡。然而，可以通過級聯這些基本單元最終得到高性能的濾波器。

為設計一個符合工程要求使用的帶通濾波器，需要進行大量的計算，具體可按如下步驟順序進行：

選擇標準低通濾波器參數。根據需要的衰減和紋波，選定采用巴特沃斯或切比雪夫設計方法后，根據經驗值選擇合適的標準低通濾波器參數。

確定歸一化帶寬，上邊頻和下邊頻。根據濾波器特性對上邊頻和下邊頻以及中心頻率的要求，可以確定濾波器的帶寬。

可根據帶寬指標計算下列參數：

（3a）

（3b）

（3c）

以上參數可用于計算傳輸線的奇模、偶模特性阻抗：

（4a）

（4b）

其中下標表示圖3所示的耦合段單元，是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗[2]。

確定微帶線的實際尺寸。

本文設計平行耦合微帶線帶通濾波器，通帶頻率范圍為6.3GHz～10.5GHz，距上下邊頻帶外1GHz處抑制優于40dBc，通道內紋波系數為0.5dB，輸入、輸出均為50歐姆阻抗匹配。根據指標要求，選擇具有0.5dB紋波的7階切比雪夫濾波器作為原型，其元器件參數值為：，，，，，。利用（3）式和（4）式可以求出各階的奇、偶模特性阻抗，具體見表1所示：

介質板材料選取Rogers Duroid5880，介電常數2.2，厚度為0.508mm。再利用ADS的LineCalculate功能，計算出每一微帶線的具體尺寸，然后在Ansoft HFSS中仿真優化，最后優化到的參數，，，最后將優化結果出圖[3]，加工，實際測試曲線如圖2所示：

從實際測試結果可以看出，因采用7階結構，帶外抑制要比設計預期提高了10dBc，實際測試曲線相對仿真結果出現一些頻率偏移，這可能和介質板上傳輸線相對較細，金屬腐蝕加工精度有關，此外通過減小可以使中心頻率上移，適當減小可拓展帶寬且減小帶內損耗。這會在以后相關濾波器的工程設計中提供一些實際指導意義[4]。

3結束語

平行耦合微帶線帶通濾波器以其體積小、重量輕、頻帶寬、易與微波電路相匹配連接等優點在微波電路中有著廣泛的應用。本文借助切比雪夫濾波器低通原型元器件參數和微波CAD仿真軟件進行仿真優化設計，并給出了實際測試頻率響應曲線，根據測試結果可滿足實際工程使用需求，目前已經使用在相關課題項目中。

參考文獻

[1] Ludwig R.射頻電路設計[M].北京：電子工業出版社，2002：53.

[2] 劉長軍，黃卡瑪，閆麗坪.射頻通信電路設計[M].北京：科學出版社，2005：29.

[3] 梁昌洪.計算微波[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1985：101.

[4] HONG Jia-sheng，LANCASTER MJ.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].NewYork ：John Wiley&Sons.Inc，2001：72.